木质纤维素对水溶液中亚甲基蓝的吸附性能

庞方亮,赵亚红,王 丽,王喜明

(内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院,内蒙古呼和浩特 010018)

木质纤维素对水溶液中亚甲基蓝的吸附性能

庞方亮,赵亚红,王 丽,王喜明

(内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院,内蒙古呼和浩特 010018)

以木质纤维素为吸附剂,分析吸附时间、初始浓度、pH值、温度等因素对木质纤维素吸附亚甲基蓝阳离子染料的影响。结果表明:木质纤维素对亚甲基蓝吸附300min后达到平衡,初始浓度超过180mg/L后吸附量不再增加,pH值由2增加到8时,吸附量由23.0mg/g增加到40.1mg/g,温度对吸附量呈现先增大后减小的趋势。讨论了Langmuir和Freundlich等温线模式,相关系数表明吸附过程符合Langmuir等温模式,用伪一级动力学和伪二级动力学对吸附数据进行拟合分析,结果表明吸附过程较好地符合伪二级动力学模型。

木质纤维素;吸附;亚甲基蓝;等温线;动力学模型

我国是纺织印染业第一大国,而纺织印染业又是工业废水的排放大户。在我国各工业行业中,纺织印染业废水排放量为1.4亿t/a,居全国工业废水统计排放量的第5位[1]。染料废水具有水质复杂、有机物含量高、可生化性差、色度高、含有大量表面活性剂、温度高、碱性大等缺点,使得传统的生化处理法难以除去染料废水的色度。所以目前常用物理吸附和生化处理相结合的方法处理染料废水,常用的吸附剂有活性炭、活性白土、天然沸石。天然高分子物质因其具有来源丰富、价格低廉、可再生等优点,近年来在吸附领域受到人们普遍关注[2-3]。

木质纤维素是除去木材中半纤维素和木质素后等到的一种单一的高分子物质。无毒、无味、无污染、无放射性,广泛用于混凝土砂浆、石膏制品、木浆海绵、沥青道路等领域。但目前关于木质纤维素对染料吸附方面的研究鲜有报道,为此,笔者以木质纤维素为吸附剂,研究各种吸附条件对木质纤维素吸附亚甲基蓝阳离子染料的影响,并讨论吸附等温线和吸附动力学模型。

1 试验部分

1.1 实验材料

木质纤维素(SAM-100,北京华多生物科技有限公司);亚甲基蓝试剂(天津市瑞金特化学品有限公司),分子式为C16H18ClN3S◦3H2O。

1.2 实验仪器

双光束紫外可见分光光度计(TU-1901,北京普析通用仪器有限责任公司);水温恒温振荡器(SHA-C,金坛市荣华仪器制造有限公司);分析天平(BS210S,北京赛多利斯天平有限公司);pH值测定仪(PB-10塞多利斯科学仪器有限责任公司);台式高速冷冻离心机(H2050R,长沙湘仪离心机仪器有限公司)。

1.3 吸附实验

准确称取0.1000g吸附剂放入100mL的锥形瓶中,加入25mL已知浓度的亚甲基蓝染料溶液,置于恒温振荡器(120r/min),在一定条件下达到吸附平衡后离心,用分光光度法测出上清液浓度,由式(1)计算吸附量[4-6]:

式中:q为吸附量,mg/g;ρ0为染料的起始质量浓度,mg/L;ρe为达到吸附平衡时染料的质量浓度,mg/L;v为染料溶液的体积,L;m为吸附剂的质量,g。

2 结果与讨论

2.1 木质纤维素吸附亚甲基蓝的电镜图

图1、2为木质纤维素吸附亚甲基蓝前后的电镜图(SEM)。由图1可见吸附前木质纤维素表面清晰、光滑;吸附亚甲基蓝后(图2)可能是由于亚甲基蓝与木质纤维素表面结合的缘故,纤维素表面起皱,说明吸附过程中木质纤维素的表面发生了变化。

图1 木质纤维素的SEM

图2 木质纤维素吸附亚甲基蓝的SEM

2.2 吸附时间的影响

在染料溶液初始质量浓度为180mg/L、pH为6、温度为30℃的条件下,吸附时间对木质纤维素吸附亚甲基蓝的影响如图3所示。由图3可知,在0到50min时,吸附量快速增加,300min后吸附量基本达到平衡。这是因为吸附初期,亚甲基蓝分子通过范德华力吸附在木质纤维素表面,随着时间的延长表面吸附达到饱和。因此,吸附时间选择300min进行吸附实验。

图3 吸附时间对吸附量的影响

2.3 初始浓度的影响

图4 初始质量浓度对吸附量的影响

在染料溶液pH为6、温度为30℃的条件下,初始质量浓度对木质纤维素吸附亚甲基蓝的影响如图4所示。由图4可见,随着染料溶液初始质量浓度的增加,木质纤维素对亚甲基蓝的吸附量逐渐增加,当质量浓度超过180mg/L时,吸附量不再增加,说明吸附达到平衡。这主要是因为:低浓度时溶液中的亚甲基蓝分子相对少,故吸附量低;而质量浓度超过180 mg/L后,木质纤维素表面的吸附位被占满,不能再吸附更多的亚甲基蓝分子,故吸附量不再增加。

2.4 pH值的影响

在染料溶液初始质量浓度为200mg/L、吸附温度为30℃、吸附时间为300min的条件下,染料溶液pH值对木质纤维素吸附亚甲基蓝吸附量的影响如图5所示。由图5可见:pH从2增加到8时,吸附量由22.3mg/g增加到30.4mg/g;pH为8到10时吸附量由30.4mg/g快速增加到44.8mg/g;pH为10以后吸附量基本保持不变。这可能是因为:正常情况下木质纤维素与染料分子结合通常以范德华力结合,酸性条件下溶液中的H+离子浓度较高,H+与亚甲基蓝之间相互竞争吸附,但由于H+半径小,使得其能快速占据活性吸附位并且与亚甲基蓝分子存在着排斥作用,因此,酸性条件下木质纤维素对亚甲基蓝的吸附量较小;pH从8增加到10时,由于染液中的H+浓度下降,木质纤维素表面为染料分子提供更多的吸附位,所以吸附量急剧增加;pH增大到10以后,由于吸附的染料之间存在“空间位阻效应”,木质纤维素表面不能再吸附更多的染料分子,所以吸附量基本(保持)不变。这种pH对吸附剂的影响机理与HAN等[7]研究的梧桐树叶对亚甲基蓝的吸附有相似的结论。

图5 pH对吸附量的影响

2.5 吸附温度的影响

在染料溶液初始质量浓度分别为 180、200、220mg/L,pH为6条件下,染液温度对木质纤维素吸附亚甲基蓝的影响如图6所示。由图6可见,吸附温度对吸附量的影响呈现出先增加后减少的趋势。当吸附温度从30℃升高到40℃时,木质纤维素对亚甲基蓝的吸附量略有增加,这可能是因为随着温度的升高,染料分子的扩散速率增大,染料分子和木质纤维素的碰撞机会增大,因此吸附量略有所增加。当吸附温度从40℃升高到50℃时,吸附量减少,这可能是因为染料分子和纤维素之间以范德华力连接,相对键能较小,升高温度加速了染料分子的移动速度使得染料分子重新回到溶液中,所以吸附量减少。

图6 温度对吸附量的影响

2.6 吸附等温线方程

木质纤维素与染料分子的结合只发生在表面,不涉及孔的吸附因素,因此选用Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式对实验数据进行分析[8]。

Langmuir吸附等温式:

Freundlich吸附等温式:

式中:qe为液相平衡时吸附量,mg/g;qm为理论最大吸附量,mg/g;kL为Langmuir常数;kF为Freundlich常数;n为常数。

一般用无量纲的RL来表述Langmuir模式吸附的物理意义。

式中:ρ0m为最大初始质量浓度,mg/L。

RL被用以描述吸附意义。当0＜RL＜1时为优惠吸附;RL＞1时不宜吸附。一般认为Freundlich常数1/n为0.1～0.5时,容易吸附;1/n大于2时,难以吸附。

表1 不同吸附温度下木质纤维素吸附亚甲基蓝的等温线参数

质量浓度为 160、180、200、220、240mg/L,pH 为6,吸附时间为300min条件下,不同吸附温度下木质纤维素吸附亚甲基蓝吸附等温线方程参数结果如表1所示。由Langmuir,Freundiich等温式的相关系数R2可知Langmuir等温式相关系数达到0.98以上,均优于Freundlich等温式,说明木质纤维素对亚甲基蓝的吸附等温式符合Langmuir等温式,是单层吸附;RL值在温度为 30、40、50 ℃时分别为 0.10、0.02、0.10,均小于1,为优惠吸附。结果表明:木质纤维素可以作为一种吸附剂应用于处理印染废水中的亚甲基蓝染料。

表2 不同吸附温度下木质纤维素吸附亚甲基蓝的动力学参数

2.7 吸附动力学

将动力学模型研究用于计算反应速率的大小,在液相吸附中通常用下列模型计算[9-10]:

伪一级动力学模型公式为:

伪二级动力学模型公式为:

式中:qt为t时刻的吸附量,mg/g;k1为伪一级动力学常数,1/min;k2为伪二级动力学常数,g/(mg◦min)。

在浓度为180mg/L,pH为6,温度分别为30、40、50℃下吸附量随着时间变化数据经拟合后如表2所示。由表2可知:伪二级动力学模型的相关系数R2均在0.99以上,说明木质纤维素对亚甲基蓝的吸附行为符合伪二级动力学模型,且最优吸附速率常数K2等于 0.0039g/(mg◦min)。

3 结 论

试验表明吸附时间、染料的初始浓度和染料的pH值对木质纤维素吸附亚甲基蓝有重要的影响。经测定吸附平衡时间为300min,吸附饱和质量浓度为180 mg/L,pH值在 10以上时有利于吸附,用Langmuir和Freundlich等温式对实验数据进行拟合,比较相关系数R2,结果表明:木质纤维素对亚甲基蓝的吸附符合Langmuir等温式,说明木质纤维素对亚甲基蓝的吸附过程是单层吸附;动力学研究表明:吸附过程符合伪二级动力学模型且最优吸附速率常数为 0.0039g/(mg◦min)。

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Properties of adsorbing methylene blue of lignocellulose in aqueous solution

PANG Fang-liang,ZHAO Ya-hong,WANG Li,WANG Xi-ming
(College of Material Science and Art Desige,Inner mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Using lignocellulose as an adsorbent,the effects of parameters such as adsorption time,initial concentration,pH value and temperature on the removal of methylene blue dye ion from aqueous solutionswere investigated.The results showed that adsorption equilibrium of lignocellulose for methylene blue reached after 300 minutes.The adsorption capacity of lignocellulose reached steady state when the initial concentration exceeded 180 mg/L.The adsorption capacity increased from 23 mg/g to 40.1 mg/g when the solution pH value increased from 2 to 8.The adsorption capacity increased first and then decreasedwith increasing temperature.The Langmuir and Freundlich adsorption isotherm models were discussed.The correlation coefficient indicated that the adsorption process of lignocellulose accordedwith Langmuir adsorption isotherm model.The pseudo-first-order and the pseudo-second-order kinetic models were used to describe the adsorption data.The results showed that the adsorption process of lignocellulose met well with the pseudo-second-order kinetic model.

lignocellulose;adsorption;methylene blue;isotherms;kinetics model

X788

A

1004-6933(2011)03-0061-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.015

国家自然科学基金(20867004)

庞方亮(1983—),男,山西临汾人,硕士研究生,研究方向为纤维素基纳米复合材料合成及吸附性能。E-mail:pangliang-000@163.com

王丽,副教授。E-mail:wl2083663@126.com

(收稿日期:2010-10-25 编辑:徐 娟)